Năm 1979, Francis Crick từng cho rằng việc tạo ra sơ đồ kết nối chính xác của một khối mô não 1 mm³ là điều "không thể", do sự phức tạp của kết nối synapse giữa các nơ-ron. Tuy nhiên, nhờ tiến bộ công nghệ, dự án MICrONS đã hiện thực hóa tầm nhìn này bằng cách kết hợp hình ảnh canxi (calcium imaging) in vivo với hiển vi điện tử thể tích (volumetric EM).

Dự án đã thu thập dữ liệu chức năng từ não chuột khi phản ứng với kích thích thị giác, sau đó xử lý mô não sau khi chuột chết để dựng hình 3D các tế bào và synapse với độ phân giải cực cao. Bằng cách sử dụng AI, mạng nơ-ron tích chập và hệ thống tính toán quy mô lớn, các nhà khoa học đã tái tạo chính xác mối liên hệ giữa chức năng và kết nối thần kinh của hơn 200.000 tế bào thần kinh. Cụ thể, dự án diễn ra trong suốt 7 năm với sự hợp tác của hơn 150 nhà nghiên cứu. Quy trình thực hiện được tóm tắt trong Hình 1.

Hình 1. Tóm tắt các bước cơ bản để tạo ra bộ dữ liệu MICrONS

Đầu tiên, các đặc tính chức năng của tế bào thần kinh được đo trực tiếp trong cơ thể sống (in vivo) tại một vùng quan tâm (ROI) trong vỏ não thị giác của chuột. Bên cạnh đó, một chồng ảnh cấu trúc in vivo có trùng không gian cũng được thu thập để hỗ trợ việc đăng ký (ghép nối dữ liệu) với dữ liệu sau khi chuột chết. Sau khi cố định não, phần mô bao gồm ROI chức năng được xử lý mô học và cắt thành từng lát mỏng. Các lát mô này sau đó được chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), và các hình ảnh thu được được lắp ráp thành một thể tích 3D. Các phương pháp tự động tiếp theo được sử dụng để tái tạo các cấu trúc tế bào và khớp thần kinh trong thể tích này, và các bản tái tạo tự động sẽ được hiệu chỉnh lại (proofread) nếu cần, nhằm đảm bảo độ chính xác cho phân tích sau đó.

Quy trình tổng thể  của dự án này gồm các bước:

 (i) Ghi nhận hoạt động não sống:

Thực hiện tại Baylor College of Medicine. Dùng kính hiển vi đặc biệt để ghi hoạt động não chuột khi xem video/YouTube.

(ii) Cắt và chụp ảnh mô não

Thực hiện tại Allen Institute. Mô não được cắt thành hơn 25.000 lát siêu mỏng, mỗi lát mỏng 1/400 sợi tóc người. Dùng kính hiển vi điện tử để chụp ảnh độ phân giải cao từng lát.

(iii) Dựng lại mô hình 3D

Thực hiện tại Princeton University. Dùng trí tuệ nhân tạo và machine learning để dựng lại cấu trúc thần kinh 3D.

(iv) Kết quả:

1.6 petabytes dữ liệu (tương đương 22 năm video HD liên tục). Hơn 200.000 tế bào, 4 km sợi trục (axon) và 523 triệu khớp thần kinh (synapses)

Phát hiện nổi bật về não bộ từ dự án MICrONS: (i) Khám phá các nguyên tắc mới về kết nối thần kinh. Xác định kiểu tế bào mới, cách phân loại mới, tổ chức và nguyên tắc chức năng mới. (ii) Nguyên lý ức chế mới. Trước đây: tế bào ức chế được cho là "dập tắt" ngẫu nhiên các tế bào kích thích. Nay đã phát hiện: tế bào ức chế có chọn lọc cao, tạo ra hệ thống phối hợp toàn mạng lưới. Một số cùng hoạt động để ức chế nhóm kích thích. Một số khác chỉ chọn lọc ức chế một kiểu cụ thể.

Kết luận: MICrONS có thể xem là bước đầu hiện thực hóa "thí nghiệm không tưởng" mà Crick đề xuất: hiểu chức năng thần kinh dựa trên cấu trúc đầy đủ. Dự án có nhiều ý nghĩa khoa học và y học bao gồm: (i). Tầm nhìn dài hạn: dự án MICrONS được so sánh với dự án bộ gen Người – một bước ngoặt lớn của ngành khoa học. Dự án là nền tảng để: Xây dựng mô hình nền tảng não bộ (brain foundation models). Hiểu sâu hơn từ hành vi → hoạt động thần kinh → phân tử. (ii). Ứng dụng tiềm năng: phát triển các mô hình bệnh lý để so sánh não bình thường và bệnh lý. Có giá trị đối với các bệnh như: Alzheimer, Parkinson, Tự kỷ, Tâm thần phân liệt. "Nếu bạn có sơ đồ mạch của một chiếc radio bị hỏng, bạn sẽ sửa được nó" – là ẩn dụ cho tiềm năng chẩn đoán và điều trị não bộ bằng bản đồ kết nối.

Đây là một bước đột phá giúp kết nối các tầng thông tin: cấu trúc - chức năng - tín hiệu thần kinh, mở ra cơ hội mới trong nghiên cứu não bộ và các rối loạn thần kinh.

Nguồn tham khảo: https://www.nature.com/articles/s41586-025-08790-w

 

Người đưa tin: Nguyễn Huy Thuần